白光干涉测量技术是现阶段测量精度较高的一种 测量技术,基于对白光自身的干涉特性和多种数据处 理方法的研究表明,白光干涉测量能实现对实际距离 的精准测量,并且已达到纳米级的测量精度以及毫米 级的测量范围,因此得到了广泛的应用。白光干涉 测量精度与其使用的相干峰寻址算法的计算精度息息 相关,希望通过算法能有效地提高测量精度、滤除测 量噪声和提高测量效率等多种问题。例如 Baryshev 等希望通过希尔伯特变换算法实现白光干涉信号包 络曲线的检测和噪声影响的分析,这是一种典型的通 过算法减小噪声影响提高计算精度的方法。另外,高 精度的白光干涉测量还依赖于高精度的线性位移机构 和测量环境,为了规避这一严苛条件,近年来提出了 很多优化方法。例如肖青等提出了一种提高光学干 涉系统稳定性的装置,通过提高干涉系统的抗干扰性 从而提高干涉测量精度。张佳莹等通过引入高速旋 转的毛玻璃提高干涉信号的信噪比,进而提高干涉测 量精度。国内外的学者大都从提高系统的稳定性和信 噪比方面提高干涉测量精度,针对干涉原理上的创新 较为少见。
为了扩大干涉测量的研究方向进而扩大在干涉测 量中可使用技术的范围,提高干涉测量的多样性和可 能性,日本学者 Akiko和 Hirokazu[7-8]提出了白光外差 干涉测量技术,结合白光干涉测量和外差干涉测量实 现了较高检测精度,使用相位探测器采集信号存在着 成本高、适用范围窄、探测效率低以及核心算法较复 杂等问题。随着声光移频技术的提高,具有更高稳定 性和抗干扰性的外差干涉测量迅速发展,本文研究 了一种适用于高精度面形测量的全视场外差白光干涉 测量技术,该技术将外差干涉测量技术与白光干涉测 量技术相结合,通过连续的时域信号计算,降低干涉 信号的随机误差。系统利用较大的纵向扫描步长与较 低的扫描精度即可实现高精度的白光相干函数峰值检 测,从而获得高精度的目标表面面形。
2 基本原理
2.1 白光外差干涉测量原理
白光干涉的本质是激光干涉的叠加,两路相同频 率的激光重合时会产生长相干干涉现象,把这两束激 光称为“激光对”。白光干涉是无数不同频率“激光对”的干涉相互叠加,由于干涉条纹宽度与激光的频率相 关,因此不同频率“激光对”的干涉光强的波峰位置 处处不同,随着光程差的逐渐增加干涉光强被均匀化, 无数干涉光光强相互叠加时干涉光强对比度为零。只 有在参考光与测试光光程差为零时,无数条激光干涉 的波峰在同一处重合,因此白光干涉在零光程差处(零 级条纹)光强最大,并随着光程差增大干涉信号的对比 度逐渐降低。白光外差干涉测量是在白光干涉的基础 上引入外差干涉的新的测量方式,外差干涉是两束不 同的频率激光相互干涉,信号强度随时间变化,白光 干涉测量具有白光干涉和外差干涉两种干涉的特性, 本质上是无数个不同频率的外差干涉“激光对”相互 叠加,光强信号受到时间和空间位置的共同影响。
本文提出了一种全视场外差白光干涉测量技术以及一种可行的测量方案,用实验验证了方案的可行性,仿真分析了各种误差对实验结果的影响,结果表明:该技术能有效地降低白光干涉测量对高精度位移机构的依赖,提高白光干涉测量的稳定性。算法的仿真对白光外差干涉测量系统设计具有重要的指导意义和参考价值。
仿真结果分析验证了白光外差干涉测量算法相对传统白光干涉测量算法具有更高的计算精度,根据结果得出以下结论:
1) 全视场白光外差干涉测量算法在扫描步长范围从10nm到200nm内计算精度高于Fourier变换法,且随着扫描步长的增加计算误差上升趋势较为缓慢,在步长随机误差绝对值小于5nm、探测器误差绝对值小于相干峰位置处光强振幅的0.4%、扫描步长为200nm时计算误差仍小于0.1nm,可以实现较大步长情况下的高精度测量。
2) 全视场白光外差干涉测量算法在扫描步长为50nm、探测器误差绝对值小于相干峰位置处光强振幅的0.4%时、步长误差从1nm到20nm范围内计算精度高于Fourier变换法,且随着扫描步长的增加计算误差没有明显的波动,计算误差低于0.01nm,对步长误差具有较强的抑制能力,在线性位移机构精度较差时仍能保持较高的计算精度。
3) 全视场白光外差干涉测量算法在扫描步长为50nm、步长误差绝对值小于5nm、低于相干峰位置处光强振幅2%的噪声等级范围内的计算精度高于Fourier变换法,计算误差小于0.1nm。全视场白光外差干涉测量算法对探测器白噪声的抑制能力较弱,白噪声高于振幅的2%时计算精度低于Fourier变换法,应用该技术时应选取噪声小的探测器。
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